無取向硅鋼電泳涂膜脫落原因分析與改進(jìn)

張本尊，李元華，岳軍，姜福健，李浩，吳明

（1.鞍鋼股份有限公司冷軋硅鋼廠，遼寧 鞍山 114021；2.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

無取向硅鋼一般用來制作電機(jī)鐵芯，有些客戶在無取向硅鋼涂層產(chǎn)品上面進(jìn)行電泳涂裝，涂敷一層電泳涂膜。在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)電泳涂膜存在脫落現(xiàn)象，使用不同廠家硅鋼材料，效果明顯不同，分析電泳涂膜脫落與硅鋼材料直接相關(guān)。通過詳細(xì)分析電泳涂膜脫落特點(diǎn)、硅鋼自身涂層成膜機(jī)理、電泳涂裝工藝等相關(guān)因素，在硅鋼涂層產(chǎn)品生產(chǎn)過程中制定優(yōu)化措施，本文對(duì)此作一介紹。

1 電泳涂膜脫落現(xiàn)象

1.1 電泳涂膜脫落形貌

漆膜與被涂面之間結(jié)合的堅(jiān)牢程度稱為附著力，目前現(xiàn)行有效的漆膜附著力測定標(biāo)準(zhǔn)有3個(gè)，分別是 GB/T 1720-1989 （“劃圈法”）、GB/T 5210-1985（“拉開法”）和 GB/T 9286-1998（“劃格法”）。在電泳行業(yè)，因?yàn)槭怯操|(zhì)底材涂敷，涂膜厚度小于250 μm，一般選擇使用 GB/T 9286-1998《色漆和清漆—?jiǎng)澑裨囼?yàn)》進(jìn)行驗(yàn)證，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了以直角網(wǎng)格圖形切割涂層穿透至底材時(shí)，評(píng)定涂層從底材上脫離的抗性的一種試驗(yàn)方法，即用切割刀具在準(zhǔn)備好的規(guī)定試板上縱橫垂直交叉切割6條平行切割線（間距由涂層厚度和底材硬度確定），用透明膠粘帶粘貼涂層切斷處，均勻撕去膠粘帶，檢查切割涂層破壞情況。試驗(yàn)結(jié)果分0～5級(jí)，0級(jí)完好無損，級(jí)數(shù)越高越差，漆膜劃格試驗(yàn)結(jié)果分級(jí)見表1。對(duì)于一般用途，前3級(jí)令人滿意。根據(jù)客戶標(biāo)準(zhǔn)需要，一般對(duì)試驗(yàn)結(jié)果加嚴(yán)控制，達(dá)到0級(jí)才確認(rèn)合格。

表1 漆膜劃格試驗(yàn)結(jié)果分級(jí)Table 1 Classification of Test Results by Row-Grid Testing

客戶在生產(chǎn)過程中參照GB/T 9286-1998劃格法要求，對(duì)鐵芯定子表面電泳涂膜進(jìn)行劃格測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)局部成片脫落。并根據(jù)劃格試驗(yàn)分級(jí)結(jié)果，評(píng)定涂層附著力為不合格，電泳涂膜形貌見圖1。

圖1 電泳涂膜脫落形貌Fig.1 Appearance of Peeling-off State of Electrophoretic Coating Film

1.2 電泳涂膜脫落部位分析

針對(duì)客戶電泳涂膜脫落的鐵芯定子樣品，將萬用表調(diào)至歐姆檔×100，短路電阻為0 Ω，檢測正常涂層部位，電阻值顯示為∞，涂層絕緣性良好；檢測電泳層脫落部位，電阻值顯示仍為∞，表明表面絕緣性良好，硅鋼原有涂層未脫落。電泳層脫落部位檢測電阻顯示效果見圖2。

圖2 電泳層脫落部位檢測電阻顯示效果Fig.2 Display Effect of Sensing-resistor Values Concerning Peeling-off Positions of Electrophoresis Coating Film

目前國內(nèi)主流鋼廠所用硅鋼涂料均為鎂系鉻酸鹽涂料，其主要組分為重鉻酸鎂水溶液、有機(jī)樹脂乳液、助熔劑、還原劑（如乙二醇或甘油）及消泡劑等。經(jīng)過干燥固化成膜后，硅鋼涂層固化成膜主要成分見表2。

表2 硅鋼涂層固化成膜主要成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 2 Main Compositions in Coating Film of Silicon Steel by Solidifying（Mass Fraction）%

取電機(jī)鐵芯電泳膜脫落樣品，對(duì)脫落部位元素成分含量進(jìn)行檢測，電機(jī)鐵芯電泳膜脫落樣品元素含量如圖3所示。通過對(duì)比可知，所含成分幾乎與正常硅鋼涂層一致，證明硅鋼涂層完好無損。

圖3 電機(jī)鐵芯電泳膜脫落樣品元素含量Fig.3 Content of Elements in Peeling-off Samples of Electrophoretic Coating Films of Motor Iron Core

通過對(duì)電機(jī)定子電泳涂膜脫落部位絕緣性能和成分的檢測，其結(jié)果均與硅鋼原始涂層一致，沒有異常，說明脫落的物質(zhì)是電泳涂膜。針對(duì)這個(gè)特點(diǎn)，分析電泳涂膜脫落原因，研究改善硅鋼自身涂層表面與電泳涂膜結(jié)合力是解決問題的關(guān)鍵。

2 電泳涂膜脫落原因分析

涂膜對(duì)底材粘合的牢度，稱為附著力。涂膜脫落，表明附著力差，影響漆膜附著力的相關(guān)因素除了有電泳漆、電導(dǎo)率和pH的控制，電泳層的厚度，電泳漆的配制，脫脂清洗以及固化烘干的溫度控制等涂料的性能和涂裝的工藝技術(shù)外，還與涂裝前表面處理、硅鋼的表面化學(xué)性能等密切相關(guān)。

2.1 涂裝前表面處理

涂裝前清除掉被涂物（底材）表面的污物，保證清洗底材表面干凈。一般電泳涂裝生產(chǎn)線均具備涂裝前處理工藝設(shè)備，前處理工藝一般由預(yù)脫脂、脫脂、水洗、表調(diào)、磷化、水洗、純水洗等10多道基本工序組成。

為判斷硅鋼表面污染物對(duì)電泳涂膜的影響，在硅鋼樣板上特意沾附可能遇到的污染物，每種類別均采取5個(gè)試樣進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)。對(duì)比分析多批次帶有污染物的樣板電泳結(jié)果，發(fā)現(xiàn)不同污染物對(duì)電泳涂膜脫落效果的影響不同，硅鋼表面不同污染物電泳涂膜脫落效果見表3。

表3 硅鋼表面不同污染物電泳涂膜脫落效果Table 3 Peeling-off Effect of Electrophoresis Coating Films on Surface of Silicon Steels with Different Pollutant

從表3發(fā)現(xiàn)，硅鋼涂層鋼板表面被有機(jī)溶劑類（丙酮、信那水）污染，電泳涂膜效果不理想；而常規(guī)灰塵、沖壓油污染物沒有對(duì)電泳涂膜脫落造成影響。分析是前處理脫脂效果對(duì)于溶劑類清洗稍差，對(duì)于常規(guī)沖壓油、灰塵污物清洗效果較好造成的，也側(cè)面說明保證涂裝前底材干凈，對(duì)提高附著力效果具有重要意義。

2.2 硅鋼表面化學(xué)性能

帶涂層的硅鋼作為電泳涂膜的基材，研究硅鋼表面化學(xué)性能，即自身涂層薄膜結(jié)構(gòu)對(duì)提高電泳涂膜附著力十分重要。資料介紹，硅鋼涂層增加可供熱固化交聯(lián)基團(tuán)，這些基團(tuán)與電泳漆中的羥基、羧基兼容性好，并且可以與電泳漆固化劑（一般為氨基樹脂或者封閉型異氰酸酯）之間產(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng)而產(chǎn)生強(qiáng)鍵合作用，從而提高了層間（含鉻涂層與電泳層）附著力。

對(duì)于硅鋼涂層液，一般采用水性溶劑，干燥前期涂層液中的水分先揮發(fā)，為物理變化過程；第二階段為化學(xué)變化過程，涂層液交聯(lián)反應(yīng)，硬化成膜。半無機(jī)鉻酸鎂涂層的微觀結(jié)構(gòu)表明，其結(jié)構(gòu)為丙烯酸樹脂顆粒，這些顆粒均勻分布在無機(jī)薄膜的表面，保證涂層具有良好的絕緣性能。由于丙烯酸樹脂發(fā)生熱失重的主要溫度范圍是330～410℃，為了保證涂料中的樹脂不發(fā)生燃燒分解，硅鋼涂層不碳黑，帶鋼鋼板溫度一般不能超過400℃。為了使六價(jià)鉻充分還原，固化鋼板溫度應(yīng)大于320℃。另外丙烯酸樹脂含量對(duì)涂層的交流阻抗影響比較大，丙烯酸樹脂含量為19.9%的涂層阻抗值最大，阻抗弧明顯大于其他丙烯酸樹脂含量的涂層。

上述文獻(xiàn)表明，硅鋼涂層薄膜結(jié)構(gòu)對(duì)電泳涂層附著力有影響，研究丙烯酸樹脂非常關(guān)鍵。優(yōu)化硅鋼涂層液中丙烯酸樹脂含量、增加丙烯酸樹脂中羥基、羧基含量，以此作為改善電泳涂膜脫落的重要措施。

3 改進(jìn)措施

硅鋼絕緣涂料一般采用鉻酸酐、氧化鎂和丙烯酸樹脂等材料配制，經(jīng)涂層機(jī)輥涂、干燥爐高溫固化后轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)狀的三價(jià)鉻復(fù)合氧化物涂膜。根據(jù)硅鋼涂膜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，適當(dāng)提高無取向硅鋼鉻酸鎂絕緣涂層固化溫度，會(huì)使有機(jī)樹脂在成膜過程中交聯(lián)聚合效果更好，三維網(wǎng)狀硅鋼涂層結(jié)構(gòu)更加致密堅(jiān)固。另外對(duì)硅鋼涂層液丙烯酸樹脂含量進(jìn)行優(yōu)化，適度提高丙烯酸樹脂中羥基和羧基含量，可以對(duì)改善電泳涂膜附著力有明顯效果。具體方案如下：

（1）調(diào)整現(xiàn)有硅鋼涂層液樹脂含量，丙烯酸樹脂固含量降低5%左右。

（2）丙烯酸樹脂羥基含量不低于4.0%，羧基含量不低于2.0%（樹脂配方理論計(jì)算）。

（3）保證絕緣電阻前提下，調(diào)整硅鋼涂層膜厚，不超過 1 μm/面。

（4）在現(xiàn)有工藝基礎(chǔ)上，提高干燥爐溫度，鋼板溫度控制在280℃以上。

（5）保證硅鋼涂層表面干凈，生產(chǎn)運(yùn)輸環(huán)節(jié)避免涂層表面污染物，尤其是杜絕有機(jī)溶劑污染硅鋼涂層表面。

4 實(shí)施效果

按上述改進(jìn)措施生產(chǎn)后，為保證效果穩(wěn)定性，制定5批次不同批量 （重量分別為100、200、300、500、1 000 t）電泳涂膜進(jìn)行驗(yàn)證，電泳驗(yàn)證全部合格。改進(jìn)前生產(chǎn)1.5萬t硅鋼電泳涂膜脫落比例為20%～30%，改進(jìn)后批量生產(chǎn)5萬t硅鋼，均沒有發(fā)生電泳涂膜脫落問題。圖4為改進(jìn)后的電泳涂膜形貌，客戶反饋硅鋼電泳涂膜效果良好，徹底解決了電泳涂膜脫落問題。

圖4 改進(jìn)后的電泳涂膜形貌Fig.4 Appearance of Electrophoretic Coating Film after Improving

5 結(jié)論

（1）通過對(duì)電泳涂膜脫落的鐵芯電阻檢測和硅鋼涂膜成分進(jìn)行分析，結(jié)果表明脫落物是電泳涂膜，硅鋼自身涂層沒有異常。

（2）調(diào)整硅鋼涂層液有機(jī)樹脂含量，降低丙烯酸樹脂固含量5%左右，提高丙烯酸樹脂羥基、羧基含量，使羥基含量不低于4.0%，羧基含量不低于2.0%；調(diào)整硅鋼涂層膜厚，不超過1 μm/面；提高硅鋼涂層干燥時(shí)固化溫度，鋼板溫度控制在280℃以上，可以提高硅鋼電泳附著力。

（3）明確硅鋼電泳涂膜效果與硅鋼自身涂層有相關(guān)性，采取適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)措施后，電泳涂膜脫落現(xiàn)象得到解決，改進(jìn)后生產(chǎn)5萬t無取向硅鋼，均未發(fā)生電泳涂膜脫落，滿足了客戶需求。